p型ZnO薄膜的制备与研究

作     者：杜记龙 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：江美福

授予年度：2010年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：p-ZnO Al-N共掺杂 等离子体浸没离子注入(PIII) 磁控溅射 

摘      要：ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,具有直接宽带隙（室温下3.37eV）,属于六方纤锌矿结构。ZnO在光电、压电、热电、铁电以及光电器件等诸多领域都表现出了优异的性能。 开发ZnO材料在光电领域的广泛应用,需要获得性能良好的n型和p型ZnO薄膜,并制备出透明的ZnO同质p-n结。高质量的n型ZnO薄膜很容易实现,但由于ZnO材料在生长过程总存在诸多的本征施主缺陷（如氧空位Vo和锌间隙Zni等）,对受主产生高度自补偿作用,故ZnO的p型掺杂相对于n型掺杂来说显得异常的困难。研究表明,单一元素的掺杂很难得到性能良好的p-ZnO薄膜,近年来采用活性施主和受主共掺杂技术由于有可能制备出载流子浓度高、电阻率低以及性能稳定的p型ZnO薄膜而引起了人们的广泛关注。 实验结果显示,制备出的p-ZnO薄膜其性能受掺杂元素的类别和制备方法的影响非常明显。本文采用Al-N共掺的方法成功制备出了p型ZnO薄膜,并对其有关性能进行了研究,主要的研究工作如下: 1、以ZnO和Al为靶,采用磁控共溅射法,制备出了ZnO:Al薄膜;以NO和O2为气源,通过等离子体浸没离子注入（PIII）技术,实现了不同注入剂量下的N元素的注入,制备出了的ZnO:Al:N薄膜,并对薄膜进行了退火处理,实现了ZnO由n型到p型的转变。 2、研究了注入剂量对薄膜结构以及电学、光学性能的影响。Hall测试显示只有在注入剂量为2.23×1015cm-2实现了ZnO的p型转变。实验表明,退火温度850℃、Al含量为面积比0.6%时,制备的p型ZnO薄膜电学性能最好,电阻率可低至8.90Ω·cm,载流子浓度可达1016 cm-3量级（2.16×1016 cm-3）,迁移率为32.4 cm2V-1s-1。通过XRD、PL、XPS、UV对其晶体结构以及光学性能的测试得知,p型ZnO薄膜中的N元素在薄膜中主要是以替位方式占据O空位与Zn和Al成键的。过量的N注入会引起新的施主缺陷,使得p型性质变差甚至重新转变为n型。 1015cm-2量级的注入剂量对于薄膜中N原子替位O原子形成No是较关键的参量,可能是实现ZnO:Al:N薄膜p型反转的关键剂量。 3、退火可以分解由于N注入而生成的Zn（N2）3,从而使N以替位占据O空位的形式存在,有助于ZnO实现p型的转变,并且随着退火温度升高到一定程度电学性能达到最好,继续升高退火温度会使ZnO分解从而产生更多的施主缺陷,薄膜的p型导电性能变差甚至又转变为n型导电。 4、适量的Al掺杂可以与N成键进而促进注入过程中N的溶解,过量的Al会产生大量的施主缺陷,但是N的溶解极限决定了不能把所有的缺陷都补偿掉。Al的掺杂可以使薄膜的透过率变大,适当的退火处理可以使薄膜的光学带隙变宽。